12.4. Источники тока, управляемые током

Упрощенная схема источника тока, управляемого током, идентична схеме ис­точника тока, управляемого напряжением, которая приведена на рис. 12.6. Отличие состоит лишь в том, что в качестве управ­ляющего сигнала используется входной ток, не зависящий от параметров схемы. В идеальном случае это условие выполня­ется при re = 0. Можно записать

Рис. 12.20. Токовое зеркало.

На рис. 12.7 и 12.13 были приведены две схемы источников тока, управляемых напряжением. Их можно использовать в качестве источников тока, управляемых током, если сопротивление резистора R^ положить равным нулю. При этом I₂ = I₁.

Особый интерес представляют управ­ляемые током источники тока, которые по­зволяют изменять его направление. Схема источника, реализующая эту возможность, показана на рис. 12.20. Она создана на ос­нове управляемого напряжением источника тока, схема которого приведена на рис. 12,11,б. Преобразование тока в напря­жение осуществляется с помощью резисто­ра R, При этом, конечно, входное сопротивление схемы не является идеальным.

Гораздо более эффективный путь состоит в том, чтобы в качестве преобразова­теля тока в напряжение использовать схе­му разд. 12.2 и одну из схем источников тока, управляемых напряжением, которые были описаны выше.

12.5. Преобразователь отрицательного сопротивления (nic)

Иногда возникает необходимость ис­пользования отрицательного сопротивле­ния или источника напряжения с отрица­тельным внутренним сопротивлением. По определению сопротивление R = + U/I, где направления тока и напряжения совпа­дают. Если же в двухполюснике направле­ния протекающего тока и приложенного напряжения не совпадают, отношение U/I будет отрицательным. Говорят, что такой двухполюсник обладает -отрицательным сопротивлением. Отрицательные сопротивления могут быть получены только с при­менением активных схем, которые назы­вают преобразователями отрицательного сопротивления (NIC). Существует два типа преобразователей: для изменения знака на­пряжения при неизменном направлении то­ка (UNIC) и для изменения знака тока при неизменном знаке напряжения (INIC). Схемная реализация INIC достаточно проста. Его идеализированные уравнения имеют следующий вид:

Эти уравнения соответствуют источнику напряжения, управляемому напряжением, и источнику тока, управляемому током (рис. 12.21). Два таких источника могут быть реализованы с помощью всего лишь одного операционного усилителя. Соответ­ствующая схема преобразователя INIC приведена на рис. 12.22.

На входах идеального операционного усилителя напряжения равны, т. е. Vp = V_N, и при этом U₁ = U₂. Выходное на­пряжение операционного усилителя в этом случае определяется как

При этом входной ток усилителя, как и требуется, будет равен

Рис. 12.21. Эквивалентная схема преобразовате­ля INIC с управляемыми источниками тока.

Рис. 12.22. Схема преобразователя INIC на опе­рационном усилителе.

При выводе последних соотношений пред­полагалось, что схема находится в устой­чивом состоянии. Однако, поскольку опе­рационный усилитель' охвачен одновремен­но положительной и отрицательной обратными связями, следует принять меры, чтобы выполнялись условия устой­чивости. Рассчитаем, какая часть выходно­го напряжения поступает на каждый из входов операционного усилителя. Для это­го рассмотрим схему на рис. 12.23. Здесь R₁ и R₂- внутренние сопротивления под­ключенных к преобразователю схем. В этом случае напряжение отрицательной обратной связи

а напряжение положительной обратной" связи

Для обеспечения устойчивости схемы необ­ходимо, чтобы удовлетворялось условие R₁<R₂. Пример практического применения пре­образователя INIC приведен на рис. 12.24. Этот преобразователь предназначен для получения отрицательного активного со­противления.

Рис. 12.23. Нагруженный преобразователь INIC.

Рис. 12.24. Схема получения отрицательного со­противления.

При подаче на вход положи­тельного сигнала напряжение U₂ равно U₁ [это следует из формул (1216)] и ток I₂ бу­дет положительным. Из формул (12.16) следует также, что

Таким образом, входной ток схемы будет отрицательным, хотя напряжение U₁ положительно. Следовательно, входное сопро­тивление схемы отрицательное:

Схема сохраняет устойчивость, пока внут­реннее сопротивление источника напряже­ния R₁ меньше сопротивления R₂. Такое же отрицательное сопротивление может быть получено, если преобразователь INIC будет включен в обратном направлении (т.е. при подключении сопротивления R₂ на вход схемы и подаче входного напряже­ния на ее выход).

Поскольку уравнения (12.16) удовлетво­ряются и для переменных токов, активное сопротивление R₂ в них можно заменить полным сопротивлением Z₂ и при этом также получить необходимое отрицатель­ное полное сопротивление.

Преобразователь INIC можно исполь­зовать в качестве источника напряжения с отрицательным выходным сопротивле­нием. Источник напряжения с напряже­нием холостого хода Uo и выходным со­противлением r_a при наличии нагрузки выдает напряжение U=U_o—Ir_a. В обыч­ном источнике r_a положительно; при уве­личении нагрузки выходное напряжение будет уменьшаться. В схеме источника на­пряжения с отрицательным выходным сопротивлением, наоборот, при увеличении нагрузки напряжение U будет возрастать. Этой особенностью обладает схема на рис. 1125. Соответствующее ей уравнение имеет вид

Отсюда следует, что при I₁ = —I₂

Рис. 12.25. Источник напряжения с отрица­тельным выходным сопротивлением.

Возможность использования отрица­тельного сопротивления расширяет гра­ницы применимости последовательного и параллельного соединения сопротив­лений. Например, можно так рассчитать источник напряжения с отрицательным со­противлением, чтобы скомпенсировать со­противление длинной линии передачи вы­ходного напряжения. При этом на выходе линии получим напряжение u₀ с нулевым выходным сопротивлением.